Informație

18.9: Originea vieții - Biologie


Pentru a explica originea vieții pe pământul nostru, trebuie să rezolvăm mai multe probleme:

  • Modul în care moleculele organice care definesc viața, de ex. au fost creați aminoacizi, nucleotide.
  • Cum acestea au fost asamblate în macromolecule, de ex. proteine ​​și acizi nucleici, - un proces care necesită catalizatori.
  • Cum s-au putut reproduce aceștia.
  • Cum au fost asamblate acestea într-un sistem delimitat de împrejurimile sale (adică, o celulă).

O serie de teorii abordează fiecare dintre aceste probleme. În ceea ce privește prima problemă, au fost propuse patru scenarii. Molecule organice:

  1. au fost sintetizate din compuși anorganici din atmosferă,
  2. a plouat pe pământ din spațiul cosmic,
  3. au fost sintetizate la orificiile hidrotermale de pe fundul oceanului,
  4. au fost sintetizate atunci când cometele sau asteroizii au lovit pământul timpuriu.

Scenariul 1: Experimentul lui Miller

Stanley Miller, un student absolvent în biochimie, a construit aparatul prezentat în Figura ( PageIndex {1} ). El l-a umplut cu apă (H2O), metan (CH4), amoniac (NH3) și hidrogen (H2), dar fără oxigen. El a emis ipoteza că acest amestec seamănă cu atmosfera primului pământ. Amestecul a fost menținut circulând prin fierbere continuă și apoi condensarea apei. Gazele au trecut printr-o cameră care conține doi electrozi cu o scânteie care trece între ei.

La sfârșitul unei săptămâni, Miller a folosit cromatografia pe hârtie pentru a arăta că balonul conține acum mai mulți aminoacizi, precum și alte molecule organice. Cu toate acestea, acum se crede că atmosfera primului pământ a fost nu bogat în metan și amoniac - ingrediente esențiale în experimentele lui Miller. În anii de după munca lui Miller, au fost încercate multe variante ale procedurii sale. Practic s-au format toate moleculele mici asociate vieții:

  • 17 din cei 20 de aminoacizi utilizați în sinteza proteinelor și toți purinele și pirimidinele utilizate în sinteza acidului nucleic.
  • Dar sinteza abiotică a riboză - și astfel de nucleotide - a fost mult mai dificil. Cu toate acestea, succesul în sintetizarea ribonucleotidelor pirimidinice în condiții care ar fi putut exista la începutul pământului a fost raportat în ediția din 14 mai 2009 a Natură.
  • Și în 2015, chimiștii din Cambridge Anglia conduși de John Sutherland au raportat că au reușit să sintetizeze precursori ai 12 din cei 20 de aminoacizi și doi (din cei patru) ribonucleotizi folosiți de viață, precum și glicerol-1-fosfatul, un precursor de lipide. Au creat toate aceste molecule folosind doar cianură de hidrogen (HCN) și hidrogen sulfurat (H2S) iradiat cu lumină ultravioletă în prezența catalizatorilor minerali.

Scenariul 2: Molecule din spațiul cosmic

Astronomii, utilizând spectroscopie în infraroșu, au identificat o varietate de molecule organice în spațiul interstelar, inclusiv metanul (CH4), metanol (CH3OH), formaldehidă (HCHO), cianoacetilenă (HC3N) (care în experimentele cu descărcare prin scânteie este un precursor al pirimidinei citozină), hidrocarburi policiclice aromatice, precum și astfel de blocuri anorganice ca dioxidul de carbon (CO2), monoxid de carbon (CO), amoniac (NH3), hidrogen sulfurat (H2S) și cianură de hidrogen (HCN).

Au existat mai multe rapoarte despre producerea de aminoacizi și alte molecule organice în laboratoare prin luarea unui amestec de molecule despre care se știe că sunt prezente în spațiul interstelar, cum ar fi amoniacul (NH3), monoxid de carbon (CO), metanol (CH3OH) și apă (H2O), cianură de hidrogen (HCN) și expunerea la o temperatură apropiată de cea a spațiului (aproape de zero absolut) și radiații ultraviolete intense (UV). Indiferent dacă moleculele care au format viața terestră au sosit sau nu aici din spațiu, nu există nicio îndoială materie organică plouă continuu pe pământ (estimat la 30 de tone pe zi).

Alternativ, moleculele organice pot fi transportate pe Pământ prin meteoriți, așa cum s-a demonstrat cu meteoritul Murchison că a căzut lângă Murchison, Australia la 28 septembrie 1969. Acest meteorit s-a dovedit a conține o varietate de molecule organice, inclusiv: purine și pirimidine, polioli - compuși cu grupări hidroxil pe o coloană vertebrală de 3 până la 6 atomi de carbon, cum ar fi glicerol și acid gliceric (zaharurile sunt polioli) și aminoacizii enumerați în tabelul ( PageIndex {1} ). Aminoacizii și proporțiile lor relative au fost destul de asemănătoare cu produsele formate în experimentele lui Miller.

Meteoritul Murchison la Muzeul Național de Istorie Naturală (Washington). (CC SA-BY 3.0;: Basilicofresco).

Tabel ( PageIndex {1} ): aminoacizi reprezentativi găsiți în meteoritul Murchison. Șase dintre aminoacizii (albastru) se găsesc în toate ființele vii, dar ceilalți (galbeni) nu se găsesc în mod normal în materia vie de pe pământ. Aceiași aminoacizi sunt produși în experimente de descărcare ca Miller.
GlicinăAcid glutamic
AlaninăIzovalină
ValineNorvaline
ProlineN-metilalanină
Acid asparticN-etilglicină

Contaminare?

Întrebarea este dacă aceste molecule identificate în meteoritul Murchison au fost pur și simplu contaminanți terestri care au intrat în meteorit după ce a căzut pe pământ? Probabil ca nu:

  • Unele probe au fost colectate în aceeași zi în care au căzut și ulterior manipulate cu mare grijă pentru a evita contaminarea.
  • Poliolii conțineau izotopii carbon-13 și hidrogen-2 (deuteriu) în cantități mai mari decât cele găsite aici pe pământ.
  • Eșantioanelor le lipseau anumiți aminoacizi care se găsesc în toate proteinele pământești.
  • Numai L aminoacizii apar în proteinele pământești, dar aminoacizii din meteorit conțin ambii D și L forme (deși L formele erau puțin mai răspândite).

Scenariul 3: Aerisiri hidrotermale de adâncime

Unele orificii hidrotermale de mare adâncime descarcă cantități abundente de hidrogen, hidrogen sulfurat și dioxid de carbon la temperaturi de aproximativ 100 ° C. (Aceștia nu sunt „fumători negri”.) Aceste gaze cresc prin camere bogate în sulfuri de fier (FeS, FeS2). Acestea pot cataliza formarea de molecule organice simple, cum ar fi acetat. (Și viața de astăzi depinde de enzime care au atomi de Fe și S în siturile lor active.)

Scenariul 4: Sinteza de laborator a nucleobazelor în condiții care imită impactul asteroizilor sau cometelor asupra Pământului timpuriu

Cercetătorii din Republica Cehă au raportat în 2014 că au reușit sinteza abiotică a adeninei (A), guaninei (G), citozinei (C) și uracilului (U) - cele patru baze găsite în ARN (un ARN care începe?) și trei din cele patru găsite în ADN. Au realizat acest lucru bombardând un amestec de formamidă și argilă cu impulsuri laser puternice care imitau temperatura și presiunea așteptate atunci când un meteorit mare lovește pământul. Formamida este o substanță simplă, CH3NU, se crede că a fost abundent pe pământul timpuriu și conține cele patru elemente fundamentale pentru toată viața.

Asamblarea polimerilor

O altă problemă este cum polimeri - baza vieții în sine - ar putea fi asamblată.

  • În soluție, hidroliza unui polimer în creștere ar limita în curând dimensiunea la care ar putea ajunge.
  • Sinteza abiotică produce un amestec de enantiomeri L și D. Fiecare inhibă polimerizarea celuilalt. (Deci, de exemplu, prezența D aminoacizii inhibă polimerizarea L aminoacizi (cei care alcătuiesc proteinele aici pe pământ).

Acest lucru a condus la o teorie conform căreia polimerii timpurii erau asamblați pe suprafețe solide, minerale, care îi protejau de degradare, iar în laborator polipeptidele și polinucleotidele (molecule de ARN) care conțin aproximativ ~ 50 de unități au fost sintetizate pe suprafețe minerale (de exemplu, argilă).

Un început de ARN?

Tot metabolismul depinde de enzime și, până de curând, fiecare enzimă s-a dovedit a fi o proteină. Dar proteinele sunt sintetizate din informații codificate în ADN și traduse în ARNm. Iată deci o dilemă de pui și ouă. Sinteza ADN și ARN necesită proteine. Deci proteinele nu pot fi fabricate fără acizi nucleici și acizii nucleici nu pot fi fabricate fără proteine. Descoperirea faptului că anumite molecule de ARN au activitate enzimatică oferă o posibilă soluție. Aceste molecule de ARN - numite ribozime - încorporează atât caracteristicile necesare vieții: stocarea informațiilor, cât și capacitatea de a acționa ca catalizatori.

Deși nu s-a găsit încă nicio ribozimă în natură care să se poată replica, ribozimele au fost sintetizate în laborator care pot cataliza asamblarea oligonucleotidelor scurte în complementele lor exacte. Ribozima servește atât ca șablon pe care lungimi scurte de ARN ("oligonucleotide" sunt asamblate urmând regulile de asociere a bazelor și catalizator pentru legarea covalentă a acestor oligonucleotide.

În principal, funcțiile minime ale vieții ar fi putut începe cu ARN și abia mai târziu proteinele au preluat mecanismul catalitic al metabolismului, iar ADN-ul a preluat ca depozit al codului genetic. Câteva alte fragmente de dovezi susțin această noțiune de „lume ARN” originală:

  • Mulți dintre cofactorii care joacă atât de multe roluri în viață se bazează pe riboză; de exemplu:
    • ATP
    • NAD
    • MOFT
    • coenzima A
    • AMP ciclic
    • GTP
  • În celulă, toate dezoxiribonucleotidele sunt sintetizate din precursori ai ribonucleotidelor.
  • Multe bacterii controlează transcrierea și / sau traducerea anumitor gene cu molecule de ARN, nu molecule de proteine.

Reproducere?

Poate că cea mai timpurie formă de reproducere a fost o simplă fisiune a agregatului în creștere în două părți - fiecare cu sisteme metabolice și genetice identice intacte.

Prima celulă?

Pentru a funcționa, mașinile vieții trebuie separate de mediul înconjurător - o formă de fluid extracelular (ECF). Această funcție este asigurată de membrana plasmatică. Membranele plasmatice de astăzi sunt formate dintr-un strat dublu de fosfolipide. Ele sunt permeabile doar moleculelor mici, neîncărcate, cum ar fi H2O, CO2, și O2. Sunt necesare transportoare transmembranare specializate pentru ca ioni, molecule organice hidrofile și încărcate (de exemplu, aminoacizi și nucleotide) să treacă în și din celulă.

Cu toate acestea, același laborator Szostak care a produs constatarea descrisă mai sus a raportat în numărul din 3 iulie 2008 al Natură că acizii grași, alcoolii grași și monogliceridele - toate moleculele care pot fi sintetizate în condiții prebiotice - pot forma, de asemenea, straturi lipidice și acestea se pot asambla spontan în vezicule închise.

Spre deosebire de veziculele fosfolipidice, acestea

  • admite din mediu extern molecule încărcate ca nucleotide
  • admite din mediu extern molecule hidrofile precum riboză
  • crește prin auto-asamblare
  • sunt impermeabile și, astfel, rețin, polimeri precum oligonucleotidele.

Acești lucrători și-au încărcat veziculele sintetice cu un fir scurt de deoxicididină (dC) structurat pentru a oferi un șablon pentru replicarea sa. Când veziculele au fost plasate într-un mediu conținând (modificat chimic) dG, aceste nucleotide au pătruns în vezicule și s-au asamblat într-un șuviță de Gs complementară șuviței șablon a lui Cs. Iată, deci, un sistem simplu, care este un model plauzibil pentru crearea primelor celule din „supa” primordială a moleculelor organice.

De la organisme unicelulare la organisme pluricelulare

Această tranziție este probabil cea mai ușor de înțeles.

Mai multe alge verzi flagelate coloniale oferă un indiciu. Aceste specii sunt numite coloniale deoarece sunt alcătuite pur și simplu din grupuri de celule independente. Dacă o singură celulă de Gonium, Pandorina, sau Eudorina este izolat de restul coloniei, va înota departe arătând destul ca un Chlamydomonas celulă. Apoi, pe măsură ce suferă mitoză, va forma o nouă colonie cu numărul caracteristic de celule din acea colonie.

(Cifrele nu sunt trasate la scară. Dimensiunile lor variază de la Chlamydomonas, care are un diametru de aproximativ 10 µm - puțin mai mare decât o celulă roșie din sânge umană - până la Volvox a cărui sferă are un diametru de aproximativ 350 µm - vizibilă cu ochiul liber.)

Situația din Pleodorina și Volvox e diferit. În aceste organisme, unele dintre celulele coloniei (majoritatea în Volvox) nu sunt capabile să trăiască independent. Dacă o celulă non-reproductivă este izolată dintr-o colonie Volvox, aceasta nu va reuși să se reproducă prin mitoză și în cele din urmă va muri. Ce s-a întâmplat? Într-un fel, încă neclar, Volvox a trecut linia care separă organismele coloniale simple de cele cu adevărat multicelulare. Spre deosebire de Gonium, Volvox nu poate fi considerat doar o colonie de celule individuale. Este un singur organism ale cărei celule și-au pierdut capacitatea de a trăi independent. Dacă un număr suficient dintre ele se deteriorează, întreaga sferă de celule va muri.

Ce a câștigat Volvox? Renunțând la independența lor, celulele Volvox au devenit specialiști. Fiecare celulă nu mai îndeplinește toate funcțiile vieții (ca în formele coloniale); în schimb, anumite celule se specializează pentru a îndeplini anumite funcții, lăsând în același timp alte funcții altor specialiști. În Volvox, acest proces nu merge mai departe decât specializarea anumitor celule pentru reproducere, în timp ce altele, incapabile să se reproducă singure, îndeplinesc nevoile de fotosinteză și locomoție.

La organismele multicelulare mai complexe, gradul de specializare este dus mult mai departe. Fiecare celulă are una sau două funcții precise de îndeplinit. Depinde de alte celule să îndeplinească toate celelalte funcții necesare pentru a menține viața organismului și, prin urmare, a sa.

Specializarea și împărțirea muncii între celule este rezultatul istoriei lor de diferențiere. Una dintre marile probleme în biologie este modul în care apare diferențierea între celule, toate apărute prin mitoză, împărtășind aceleași gene.

Genomurile ambelor Chlamydomonas și Volvox au fost secvențiate. Deși una este unicelulară, cealaltă multicelulară, acestea au nu aproximativ același număr de gene care codifică proteinele (14.516 în Chlamydomonas, 14.520 în Volvox), dar cele mai multe dintre acestea sunt omoloage. Volvox are doar 58 de gene care nu au rude în Chlamydomonas și chiar mai puține mARN-uri unice.

La un moment dat, mulți dintre noi ne-am fi așteptat ca un organism multicelular precum Volvox cu celulele sale diferențiate și ciclul său de viață complex să fi avut mult mai multe gene decât un organism unicelular precum Chlamydomonas. Dar acest lucru se dovedește a nu fi cazul.

Cum să explic acest aparent paradox? Cred că, așa cum am văzut în evoluția animalelor, vedem aici că evoluția complexității organice nu este atât o chestiune a evoluției gene noi ci mai degrabă evoluția schimbărilor în elementele de control (promotori și amplificatori) care dictează cum și unde va fi exprimat setul de instrumente de bază al genelor eucariote.

Dovezile sunt convingătoare că toate aceste organisme sunt rude apropiate; adică aparțin aceleiași clade. Ele ilustrează modul în care formele coloniale ar putea apărea din cele unicelulare și formele multicelulare din cele coloniale.

Ultimul strămoș comun universal (LUCA)?

Cele 3 regate ale vieții contemporane - arhee, bacterii și eucariote - toate împărtășesc multe asemănări ale sistemelor lor metabolice și genetice. Probabil că acestea erau prezente într-un organism care era ancestral acestor grupuri: „LUCA”. Deși nu există suficiente date în prezent pentru a descrie LUCA, genomica comparativă și proteomica relevă o relație mai strânsă între archaea și eucariote decât oricare dintre acțiunile cu bacteriile. Cu excepția, desigur, pentru mitocondriile și cloroplastele pe care eucariotele le-au câștigat din endosimbionții bacterieni. Dacă endosimbionții au fost dobândiți înainte sau după ce o descendență de archaea a dobândit un nucleu - și astfel a început descendența eucariotelor - este încă incert.

Creează viață?

Când m-am îndreptat spre facultate (în 1949), am scris un eseu speculând posibilitatea ca într-o zi să fim capabili să creăm un organism viu din ingrediente nevie. Până când mi-am terminat studiile formale în biologie - aflând despre complexitatea incredibilă chiar și a celui mai simplu organism - am ajuns la concluzia că o astfel de ispravă nu ar putea fi realizată niciodată.

Acum nu sunt atât de sigur.

Mai multe progrese recente sugerează că este posibil să ne apropiem de crearea vieții. (Dar rețineți că aceste exemple reprezintă manipulări de laborator care nu reflectă neapărat ceea ce s-ar fi putut întâmpla când a apărut prima dată viața.)

Exemple:

  • Capacitatea de a crea vezicule cu membrană închisă, care pot lua molecule mici și le pot asambla în polimeri care rămân în „celulă”.
  • Abilitatea de a asambla ribozomi funcționali - structurile care convertesc informațiile codificate în genom în proteine ​​care conduc viața - din componentele lor.
  • În 2008, oamenii de știință de la Institutul J. Craig Venter (JCVI) au raportat (în Ştiinţă 29 februarie 2008) că au reușit să sintetizeze un cromozom bacterian complet - conținând 582.970 perechi de baze - începând de la deoxinucleotide unice. Întreaga secvență a genomului Mycoplasma genitalium era deja cunoscut. Folosind aceste informații, au sintetizat aproximativ 10.000 de oligonucleotide scurte (fiecare cu aproximativ 50 bp lungime) reprezentând întregul genom al genitalium și apoi - pas cu pas - le-au asamblat în fragmente din ce în ce mai lungi până când în cele din urmă au creat întreaga moleculă circulară de ADN care este genomul .

    Ar putea fi așezat acest lucru în citoplasma unei celule vii și să o conducă?

    Aceeași echipă a arătat în anul precedent (a se vedea Ştiinţă 3 august 2007) că ar putea introduce un întreg cromozom dintr-o specie de micoplasmă în citoplasma unei specii înrudite și, în timp util, destinatarul și-a pierdut propriul cromozom (poate distrus de enzimele de restricție codificate de cromozomul donator) și a început să exprime fenotipul donatorului. Pe scurt, schimbaseră o specie în alta. Dar cromozomul donator a fost realizat de bacteria donatorului, nu sintetizat în laborator. Cu toate acestea, nu ar trebui să existe niciun obstacol serios în calea realizării aceluiași transplant de genom cu un cromozom sintetizat chimic.

    Au făcut-o! Aceeași echipă a raportat pe 20 mai 2010 în online Ştiinţă Exprimați că au transplantat cu succes un genom complet sintetic - bazat pe cel al Mycoplasma mycoides - în speciile înrudite Mycoplasma capricolum. Tulpina primitoare a crescut bine și în curând a dobândit fenotipul M. mycoides donator.

  • În numărul din 4 aprilie 2014 al Ştiinţă (Annaluru, N. și colab.), un grup mare de cercetători - inclusiv mulți studenți de la Universitatea Johns Hopkins - au raportat că au înlocuit cu succes cromozomul 3 natural din Saccharomyces cerevisiae (care are 16 cromozomi) cu un cromozom total-sintetic.

    Procedura lor:

    1. Sinteza chimic oligonucleotide de 69 până la 79-nt reprezentând toate întinderile secvenței cunoscute a cromozomului 9 (care conține 316.617 perechi de baze) cu exceptia pentru anumite secvențe precum transpozoni, mulți introni și gene de ARN de transfer. În plus, au fost incluse secvențe noi, non-native, cum ar fi site-urile loxP, pentru a ajuta la viitoarele manipulări ale genomului.
    2. Îmbinați-le împreună în blocuri de ~ 750 perechi de baze. Acest pas a fost făcut in vitro de către studenții înscriși la clasa „Construiește un genom” la Johns Hopkins.
    3. Introduceți-le în celule de drojdie care le-au legat în întinderi de ADN care conțin 2-4 mii de perechi de baze.
    4. Introduceți aceste trepte în celulele de drojdie, astfel încât să înlocuiască porțiunile echivalente ale cromozomului nativ.
    5. Rezultatul: o tulpină de drojdie care crește la fel de bine cu noul său cromozom artificial (conținând acum doar 272.871 de perechi de baze) ca înainte.


Priveste filmarea: Ce ne arata dovezile - Limbajul vietii (Ianuarie 2022).